输油管道故障诊断中的实时模型法

— —泄漏点距管道首端的距离， +； 式中! ! — ! &# 、 &$ — — —管道首末端的流量， +, - .； ! !# 、 — —上游和下游到泄漏点之间流体平均密 !$ — 度， /0 - +, ； ! "# 、 "$ — — —管道首末端的压力， 12； — —油品的运动粘度， +# - .； ## 、 # $— ! ! 0$ — — —管道首末端的高程差， +； ! ! ! ! *— — —管道内径， +； ! ! ! (— — —管道长度， +； ! ! ! %— — —重力加速度， + - .# ； ! ! ’、 — —与原油流态有关的参数。 "— 这种方法适用于等温管道或介质特性随温度变 化很小的管道， 误差也较小， 但是在原油的粘度、 密
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（#）
式中! - — — —管道的总传热系数， 8（ - + ・9 ） ； ! ! ! +— — —油品随温度变化的比热容， :（ - /0・9 ） ； ! ! ! .— — —管道外径， +； ! ! ! ! ! 05 — — —管道周围介质温度， 9； 2— — —油流水力坡降， + - +；
图 *! :;.;< 曲线
将 (2!2* 曲线分别投影到各坐标平面上， 并转换 成沿程压头曲线 （ 见图 & ） ， 便可以按图 & 进行泄漏 定位。 当管道运行正常时， 根据管道首端边界条件解 出的其末端压头应与实测值基本吻合， 反之亦然。 但是当管道发生泄漏时， 方程的运算结果与实测值 将不能吻合。如果将管道的运行状况分为泄漏点前 后两部分， 在管道泄漏点处为相同的边界点， 由流体 的连续性可知， 此处的温度、 压头是相同的， 因此根 据管道首末端边界条件分别绘制的沿程压头曲线在
可得热输管道的热平衡方程： 代入式 （#） ! - ". （ / ) 05 ） 6, ( ) 1+ 6/ 7 %1" 整理得： 将式 （3） （3）
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油! 气! 储! 运! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! *((& 年!
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度、 比热容等随温度变化很大时， 误差较大。试验表 明， 该方法能检测出大于 34 的泄漏， 定位精度不足 "54 ， 原因是未考虑油温变化对诸多参数的影响。 我国原油大部分属于高凝点、 高含蜡、 高粘度的 三高原油， 必须采用降凝、 降粘等措施。目前最常用 的方法是加热输送， 使易凝油品的温度保持在凝固 点以上， 使高粘油品因温度升高而粘度变小， 减少摩 阻损失。热油输送不同于等温输送的特点在于输送 过程中存在着摩阻损失和散热损失。 在实际热油管道的运行过程中， 与油流温度相 粘度 $、 比热容 + 等均按各 关的物性参数如密度 !、 自的规律随油温变化， 所输油品的沿程温度是按近 似于对数曲线规律变化的。充分考虑这些相关的变 化规律， 对保证计算的精确性是十分重要的。 为简化分析， 特作如下假设： （" ） 油品向管道周围 介 质 的 散 热 为 稳 定 传 热 过程； （#） 油品为牛顿型流体； （,） 忽略径向温降对油品物性的影响。 在稳定工况下， 根据能量守恒原理， 输油管道散 失的热量应等于油流释放的热量， 因此得到 6, 微元 管段上的能量平衡式为： ! ! ! - ". （ / ) 05 ） 6, ( ) 1+ 6/ 7 %126,
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方法， 也称为直接检漏法， 如直接观察法、 管道泄漏
////////////////////////////////////////////// 管非常重要。对于 " , (# - .$ 储罐， 将地基不均匀 罐体变形和排水管受力情况， 及时采取措施避免排 沉降差控制在 "/ & 0. ) (# . 以内， 可以使排水管的 最大应力控制在 &# 1*2 以下。 （"） 采用柔性管或可调节装置， 将现有的框架 型排水管改为金属蛇形软管， 可以释放作用在排水 管上的载荷， 或在排水管薄弱点采用局部加厚补强 措施， 提高管子的强度， 降低应力水平。
基于硬件的方法是指对泄漏物进行直接检测的
水管损坏。
参 考 文 献
(， ! 潘家华： 圆柱形金属油罐设计， 烃加工出版社 （ 北京） ， (%34 。 "， ! 徐至钧! 许朝铨等： 大型储罐基础设计与地基处理， 中国石化出 版社 （ 北京） ， (%%% 。 （ 收稿日期： "##$5#&5$# ）
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比热容： # （ (）#
!、 " 水力计算 热油管道的水力计算是以热力计算为基础的。 如果采用平均温度法， 则在计算段内所得的水力坡 降线为一条直线， 这与实际情况不相符。由于热输 管道的沿程油温不断下降， 粘度逐渐增大， 其水力坡 降也不断增大， 因此热油管道的实际水力坡降线不 同于等温管道的直线， 而是一条斜率不断增加的曲 线 （ 见图 ) ） 。
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! ! ! 1 — — —温度为粘温指数， 3
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! ! ! #( — — —温度为 (( 时油品的运动粘度， 7* 6 9 ； ! ! # （ (） — — —温度为 (3 时油品的运动粘度， 7* 6 9 ； ! ! ! $ — — —温度系数， 45 6 （ 7& ・3 ） 。
三、 泄漏定位方法
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将式 （&） 表示的管道水力坡降 + 代入式 （’） 得： ! ! ! ! ! ! ! "* # " （+）
代入式 （,* # ""
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式 （-） 和式 （+） 就是反映原油流动特性和物性 的热力和水力方程， 这两个方程描述了热油管道在 输送过程中， 其压头沿着管道沿程的分布。 根据管道检测系统实际测量数据和上述数学模 型之间的差异， 就能够检测出管网是否发生泄漏和 发生泄漏的位置。 #、 " 有关参数的确定 管道的总传热系数通常采用反算法， 也就是根 据实际输送中管道的运行参数推算。 ) - % )( % . ,# ! ! ! ’# ./ !$! - ) / % )( % . 密度： （ ! (）# !*( % （ $ ( % *( ） （0）
点。随着管道的增多、 管龄的增长， 以及不可避免的 腐蚀、 磨损等自然或人为损坏等因素的影响， 目前已 有不少管道进入事故高发阶段。因此， 研究输油管 道泄漏故障实时诊断技术， 迅速发现泄漏事故并准 确定位， 及时采取有效措施， 最大限度地减少损失和 对环境的污染， 是非常重要的。 目前国内外管道的泄漏检测技术基本上可以分 为两类， 一类是基于硬件的方法， 另一类是基于软件 的方法
以 ! 为积分变量， 对式 （+） 和式 （,） 同时积分， 得到 (2!2* 三维曲线 （ 见图 * ） 。图 * 中所绘曲线是
图 )! 水力坡降线
根据计算实例中的数据计算出来的。
水力计算应首先在微元管段 "! 上建立沿程摩 阻水力微分方程： ! ! ! ! ! ! ! ! ! "* # +"! "* % % # % "! $$ % %
（$ ） 采用液位监测报警电路装置， 可以及时发
张淑英 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 编辑：
第 ## 卷第 < 期! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 张来斌等： 输油管道故障诊断中的实时模型法
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! ! （"） 泄漏检测与定位技术进入软硬件结合为主 的新时代。 （#） 泄漏检测方法与 $%&’& 系统相结合成为 今后泄漏检测的发展趋势。 随着计算机在各领域的应用普及， 现代控制技 术和数据处理技术正迅速应用到油气管道的故障诊 断系统中。目前国际上研究并且运用得最多的管道 泄漏检测方法是实时模型法， 它不仅能探测到较小 的泄漏， 而且定位准确， 其检测精度依赖于模型和硬 件的精度。
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油! 气! 储! 运! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "##$ 年
水 !!" !!!!!" !!" 安全消防
输油管道故障诊断中的实时模型法， 油气储运， "##$ ， "" （ % ）&" ’ && 。 ! ! 张来斌! 王朝晖等： 采用该方法不仅 摘! 要! 实时模型法是目前国际上研究并且运用最多的管道泄漏检测方法， 能探测到较小的泄漏 ， 而且定位准确。在对输油管道沿程热量散失过程进行分析的基础上， 考虑 油流温度对流态、 粘度、 密度、 比热容的动态影响， 同时计入摩擦热对沿程温降的影响， 建立了管道 热力和水力模型， 提出运用三维曲线对管道泄漏进行定位的方法， 并对该方法进行了改进和优化。 主题词! 输油管道! ! 故障诊断! ! 泄漏检测! ! 实时模型法 溶解法、 油溶性压力管法、 声波法、 放射性示踪法、 光
#
二、 实时模型法检测管道泄漏
!、 " 实时模型法的基本思路 实时模型法的工作原理是， 用一组方程建立一 个精确的计算机管道实时模型， 此模型与实际管道 同步执行。定时取管道上的一组实际值， 如上下游 温度、 压力、 流量等， 运用这些测量值， 用模型在线估 计管道中流体的压力、 流量值， 然后将这些估计值与 压力或流量的实测值相比较， 来进行泄漏故障诊断， 这就是模型法的基本思路。 传统的基于模型的管道泄漏检测定位方法， 在 其建模过程中对于泄漏点的定位机理大都是基于线 性压力梯度，即该方法的热力和水力计算是在一个 确定的平均温度基础上进行的， 而且在该温度下将 与油流温度相关的物性参数视为定值。泄漏点定位 。 公式见式 （" ） ! ! !(
! #(#""-% ， 北京市昌平区府学路 (3 号； 电话： （ #(# ） 3%6$$$$- 。
现 ! ##中石油创新基金资助项目。
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输油管道故障诊断中的实时模型法 ..
张 来 斌 # ! ! 王 朝 晖! ! 陈! 茜
（ 石油大学 （ 北京） 机电学院机械故障诊断中心）
一、 前! 言
（ ( % (( ） 运动粘度： （ (）# #( 2 % 1 # 其中： $ # ) 0 ,*$ % ( 0 (() &)$ !*(
（ ) ’,+ 1 & 0 0& )） （ )) ） )$ ! ! （ )* ）
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式中! !*( — — —*(3 时的油品密度， 45 6 7& ； ! ! ! !)$ — —)$3 时的油品相对密度； - — ! ! （ — — —温度为 (3 时的油品密度， 45 6 7& ； ! (） ! ! # （ (） — — —温 度 为 ( 3 时 油 品 的 比 热 容， ! ! ! ! ! ! 8（ 6 45・3 ） ；
! ! ! 1— — —油品的质量流量， /0 - .。 式 （#） 中左端为 6, 管段单位时间向周围介质的 散热量， 右端第一项为管内油流温降 6/ 的放热量； 第二项为 6, 段上油流摩擦损失转化的热量。因 6, 与 6; 的方向相反， 故引入负号。 #、 " 热力计算 管道沿程水力坡降为： ! ! ! ! ! ! ! ! 2 (" &# ) ’ # ’ .* ) ’ &# ) ’ # ’ 6, .* ) ’ （,）
先对式积分得曲线压头损失随温度变化曲线再将压头损失随温度变化曲线转化为压头随温度变化曲线根据管道首末端边界条件分别绘制的沿程压头随温度变化曲线在泄漏点相交两条曲线的交点所对应的横坐标就是泄漏点处原油的温度积分得到曲线在该曲线上找到温度为管道沿程温度分布曲线四计算实例某管道长原油时的密度为本不变管道末端温度实测值为环境地温为总传热系数为0567管道末端压力为0可以看出分别根据管道首端和末端边界条件绘制的沿程压头随温度变化曲线在40中可以找到对应泄漏点的位置为0处定位误差为08
管道运输具有便于管理和控制、 成本较低等优
纤检漏法等。 基于软件的方法又称为间接检漏法， 是指借助 于计算机系统 ， 通过检测因泄漏造成的影响， 如根 据流量、 压力、 温度等物理参数的变化来判断泄漏是 否发生及泄漏的位置。这类方法有质量 ) 体积平衡 法、 压力图象法、 压力点法、 实时模型法、 统计检漏 法、 **+（ 压力点分析） 法等。这类方法的主要优点 是适应性强、 安装简单， 但对检测仪表精度要求很 高， 否则会带来较大的定位误差。根据检测的具体 要求可以选用精度较高的仪表 ， 或利用数学方法对 采集的数据进行修正。 除了上述两类方法之外， 还有其它的一些检漏 法， 如清 管 器 检 漏 法。管 道 泄 漏 检 测 有 以 下 发 展 趋势。